Классификация преобразователей

Преобразователи подразделяются: по способу ввода ультразвуковых колебаний; по направлению ввода УЗК; по конструктивному исполнению и способу подключения.

По способу ввода УЗК ПЭП подразделяются на контактные, иммерсионные, контактно-иммерсионные, щелевые и бесконтактные (рисунок 58).

Контактные ПЭП нашли наибольшее применение в промышленности. Между ПЭП и контролируемым изделием обязателен слой контактной жидкости толщиной ¼ длины волны в контактной жидкости. Их основным недостатком является нестабильность акустического контакта в процессе сканирования.

Иммерсионный ввод УЗК чаще всего используют при автоматизированном контроле изделий небольшого размера или изделий простой геометрической формы (например, труб небольшого диаметра). При иммерсионном способе между ПЭП и контролируемым изделием вводят толстый слой жидкости (толщина его во много раз превышает длину волны), за счет чего чувствительность этого метода снижается в 10 раз в сравнении с контактным способом. При этом, изделие либо целиком погружают в иммерсионную ванну (рисунок 58, б), либо применяют локальную ванну для части изделия (рисунок 58, в), либо используют струю воды (струйный контакт, рисунок 58, г). Иммерсионные ПЭП применяют, когда очень важна стабильность акустического контакта, например, при контроле теневым методом.

Контактно-иммерсионные ПЭП снабжены локальной иммерсионной ванной с эластичной мембраной, контактирующей с изделием непосредственно или через тонкий слой жидкости (рисунок 58, д).

Щелевые (менисковые) ПЭП имеют между своей рабочей поверхностью и контролируемым изделием зазор около длины волны ультразвука; жидкость в зазоре удерживается силами поверхностного натяжения (рисунок 58, а)

Бесконтактные ПЭП возбуждают упругие колебания в металле за счет взаимодействия переменного электрического и магнитного полей. Электромагнитно-акустические (ЭМА), лазерные и емкостные ПЭП являются наиболее перспективными после контактных, так как они не требуют контактной жидкости. Принцип действия этих преобразователей основан на превращении электромагнитных колебаний в упругие непосредственно поверхностью металла, находящегося в зоне преобразователя. Чувствительность бесконтактного способа также в 10–100 раз ниже чувствительности контактного.

Рисунок 58 – Способ ввода УЗК: а) щелевой; б) иммерсионный с применением полного погружения изделия в ванну;

в) иммерсионный с применением локальной ванны; г) иммерсионный с применением струи воды;

д) контактно-иммерсионный

По направлению ввода УЗК преобразователи подразделяются на прямые, наклонные, комбинированные.

Прямой ПЭП предназначен для излучения продольных волн, направленных по нормали к поверхности контролируемого изделия (рисунок 57, а).

Наклонный ПЭП предназначен для излучения волн наклонно к поверхности контролируемого изделия. Продольная волна возбуждается в промежуточной среде – призме, создающей требуемый угол наклона. В зависимости от угла призмы в изделии распространяется либо продольная волна (β<7º) либо поперечная волна (27º<β<55º), либо поверхностная волна (β=60º) (рисунок 57, б).

Рисунок 59 – Комбинированный ПЭП

Комбинированный ПЭП – два самостоятельных ПЭП заключены в один корпус, каждый из которых работает по совмещенной схеме независимо друг от друга. Переход при работе с одного ПЭП на другой осуществляется переключением тумблера (рисунок 59).

По конструктивному исполнению и способу подключения к дефектоскопу ПЭП подразделяются: совмещенные, раздельно-совмещенные, раздельные (рисунок 60).

Совмещенный ПЭП – один пьезоэлемент служит и излучателем и приемником УЗК (рис. 60, а).

Раздельно-совмещенный РС ПЭП (рисунок 60, б) состоит из излучателя и приемника, совмещенных в одном корпусе, разделенных друг от друга электроакустическим экраном. РС ПЭП бывают прямые – в нем применяют призмы с малыми углами β<7º, так что излучаются и принимаются продольные волны; наклонные – в нем применяют призмы с углами 27º<β<55º, так что излучаются и принимаются поперечные волны. Основное преимущество РС ПЭП – низкий уровень помех, особенно помех самого преобразователя. Их применяют для контроля, когда необходима малая мертвая зона.

Раздельные ПЭП – функции излучателя и приемника выполняют два пьезоэлемента, каждый из которых заключен в свой корпус. При применении раздельной схемы включения ПЭП мертвая зона и электроакустические шумы вообще отсутствуют.

а) б) в)

Рисунок 60 – Классификация ПЭП по схеме подключения к дефектоскопу и конструктивным признакам

Тип ПЭП определяется сочетанием перечисленных выше признаков. Каждому типу ПЭП соответствует определенное условное обозначение, указывающее его характеристику.

7 Маркировка ПЭП. Все преобразователи, имеют буквенно-цифровое обозначение. Маркировка указана на рисунке 61.

Примеры а) П121-2,5-70-РДМ2 – преобразователь пьезоэлектрический, контактный, наклонный, совмещенный, частотой ультразвуковых колебаний 2,5 МГц, углом ввода 70º;

б) П112-2,5-РДМ2 – преобразователь пьезоэлектрический, контактный, прямой, раздельно-совмещенный, частотой ультразвуковых колебаний 2,5 МГц;

в) П131-2,5-50/65-РДМ3 – преобразователь пьезоэлектрический, контактный, комбинированный, совмещенный, частотой ультразвуковых колебаний 2,5 МГц, углами ввода 50 º и 65º.

Цвет маркировки устанавливают в зависимости от номинальных значений частот:

f ≤ 0,9 МГц – серый, белый;

0,9 ≤ f ≤ 1,25 МГц – красный;

1,25 ≤ f ≤ 1,8 МГц – оранжевый;

1,8 ≤ f ≤ 3,0 МГц – синий, фиолетовый;

3,0 ≤ f ≤ 6,0 МГц – зеленый;

6,0 ≤ f ≤ 14,5 МГц – коричневый;

f > 14,5 МГц – желтый.

Рисунок 61 – Маркировка ПЭП

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какое явление называется дифракцией?

2. Сколько типов дифракции Вы знаете? Поясните. Какое практическое значение для ультразвуковой дефектоскопии имеют данные типы дифракции?

3. Какой должна быть кристаллическая решетка монокристаллов, чтобы они обладали пьезоэлектрическим эффектом?

4. На какие группы подразделяются пьезоматериалы?

5. Какие материалы относятся к природным? Перечислите их?

6. Какие материалы относятся к пьезокерамике? Перечислите их?

7. Как изготавливают пьезоэлементы из пьезокерамики?

8. Какое явление называется обратным пьезоэффектом? Расскажите принцип генерирования ультразвуковых колебаний?

9. Какое явление называется прямым пьезоэффектом? Расскажите принцип преобразования ультразвуковых колебаний в электрические?

10. Какое условие должно выполняться для получения максимальной амплитуды ультразвуковых колебаний? Как выполнить это условие?

11. От каких параметров зависит собственная частота пьезоэлемента?

12. Исходя из каких условий подбирается толщина пьезоэлемента?

13. Основные элементы конструкции совмещенного прямого искателя и кратко опишите назначение каждого элемента и требования, предъявляемые к размерам этого элемента и материалу, из которого он выполнен.

14. Основные элементы конструкции раздельно-совмещенного прямого искателя.

15. Объясните конструкцию наклонного ПЭП? Чем обусловлен выбор угла ввода? Материала для демпфера? Материала призмы?

16. Обясните конструкцию комбинированного ПЭП?

17. Объясните назначение демпфера, призмы, протектора в конструкции ПЭП?

18. Какими должны быть углы призмы, чтобы в рельс вводилась поперечная волна?

19. По каким признакам классифицируются ПЭП?

20. На какие ПЭП подразделяются ПЭП по способу ввода? Чем они различаются между собой?

21. На какие ПЭП подразделяются ПЭП по направлению ввода? Объясните сущность каждого типа ПЭП, входящего в эту группу?

22. На какие ПЭП подразделяются ПЭП по конструктивным признакам и способу подключения к дефектоскопу? Чем они различаются между собой?

23. Объясните структуру маркирования ПЭП?

ЗАДАЧА

Определить толщину пьезопластины из ЦТС-19 для частоты 2,5 МГц, зная, что скорость распространения УЗВ в ЦТС-19 3300 м/с.